Глава 1. Тепловые явления. § 19. Поглощение энергии при испарении жидкости. Выделение энергии при конденсации пара — с. 71
§ 19. Вопрос 1. Опишите опыт, демонстрирующий охлаждение жидкости при испарении.
Берут два одинаковых термометра. Шарик одного термометра обматывают влажной тряпочкой (ваткой, смоченной водой), шарик другого оставляют сухим. Термометры кладут рядом и через несколько минут сравнивают показания. Влажный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой (например, 18 °C и 22 °C). Опыт показывает, что при испарении воды с тряпочки жидкость охлаждается вместе с шариком термометра. Если смочить тряпочку спиртом или одеколоном, охлаждение будет ещё заметнее, так как они испаряются быстрее.
§ 19. Вопрос 2. Объясните на основе МКТ понижение температуры жидкости при её испарении.
При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы — те, у которых кинетическая энергия достаточна для преодоления притяжения. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, поэтому средняя кинетическая энергия молекул оставшейся жидкости уменьшается. Так как температура определяется средней кинетической энергией молекул, температура жидкости понижается. Чтобы температура испаряющейся жидкости оставалась постоянной, ей необходимо передавать некоторое количество теплоты.
§ 19. Вопрос 3. Что происходит с молекулами жидкости и пара в процессе испарения и конденсации?
При испарении быстрые молекулы жидкости, находящиеся у поверхности, преодолевают притяжение и вылетают в пространство над жидкостью, становясь молекулами пара; кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. Под действием сил притяжения со стороны молекул жидкости они ускоряются, их кинетическая энергия возрастает, и средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается — жидкость нагревается, то есть энергия выделяется.
§ 19. Вопрос 4. Приведите примеры природных явлений, которые можно объяснить испарением жидкости и конденсацией пара.
Испарением объясняются высыхание луж и почвы после дождя, обмеление водоёмов, охлаждение кожи при выходе из воды (особенно в ветреную погоду) и образование водяного пара в атмосфере над океаном. Конденсацией объясняются образование облаков и тумана, выпадение росы по вечерам и утрам, иней и морозные узоры (когда пар переходит в твёрдое состояние), дождь и снег, запотевание окон. Круговорот воды в природе — испарение с поверхности морей и океанов, конденсация в облаках, выпадение осадков — основан на обоих процессах.
§ 19. Дополнительный вопрос 1. Если капнуть на руку одеколон, то ощущение прохлады будет сильнее, чем если капнуть воду. Как это можно объяснить?
Одеколон содержит спирт, молекулы которого притягиваются друг к другу слабее, чем молекулы воды. Поэтому спирт испаряется быстрее: за одно и то же время с поверхности вылетает больше быстрых молекул. Чем интенсивнее испарение, тем больше энергии уносят вылетающие молекулы и тем сильнее охлаждается жидкость, а вместе с ней и кожа, от которой жидкость получает теплоту. Следовательно, ощущение прохлады от одеколона сильнее, чем от воды.
§ 19. Дополнительный вопрос 2. Почему конденсация пара в атмосфере в капельки дождя или снежинки ведёт к повышению температуры воздуха?
При конденсации водяного пара в жидкость (и при кристаллизации в снежинки) выделяется энергия: кинетическая энергия молекул возвращающихся в жидкость увеличивается. Эта энергия передаётся окружающему воздуху, и его внутренняя энергия возрастает, то есть воздух нагревается. Поэтому перед дождём и при образовании облаков воздух часто становится теплее, а в ясные ночи при образовании росы выделяющаяся энергия препятствует охлаждению растений.
Упражнение 16. Задача 1. Выходя из реки после купания, вы ощущаете прохладу, особенно в ветреную погоду. Почему?
Решение. На коже остаются капли воды. Вода испаряется, при этом её покидают самые быстрые молекулы, а оставшаяся вода и кожа охлаждаются: для испарения нужна энергия, и она отнимается у тела. В ветреную погоду воздух уносит вылетевшие молекулы пара, возвращаться в жидкость им некогда, поэтому испарение идёт быстрее, и охлаждение сильнее.
Ответ: прохлада возникает из-за испарения воды с кожи, которое отнимает энергию у тела; ветер ускоряет испарение.
Ответ: прохлада возникает из-за испарения воды с кожи, которое отнимает энергию у тела; ветер ускоряет испарение.
Упражнение 16. Задача 2. В жаркий день, когда входишь в воду, кажется, что вода холоднее воздуха, а когда выходишь из воды — воздух холоднее. Почему?
Решение. Когда входишь в воду, вода температурой ниже температуры тела отнимает у кожи теплоту, и она ощущается холодной, хотя воздух вокруг в жаркий день теплее воды и ощущается тёплым. Когда выходишь, на теле остаётся тонкий слой воды, которая начинает испаряться; испарение отнимает энергию у кожи и охлаждает её. Тело, охлаждённое испарением, воспринимает окружающий воздух как более холодный, чем он есть (особенно при ветре).
Ответ: в воде тело отдаёт энергию воде (вода холоднее), а при выходе из воды с мокрой кожи происходит испарение, охлаждающее тело, поэтому воздух кажется холодным.
Ответ: в воде тело отдаёт энергию воде (вода холоднее), а при выходе из воды с мокрой кожи происходит испарение, охлаждающее тело, поэтому воздух кажется холодным.
Упражнение 16. Задача 3. В ветреный день нам становится теплее, если спрятаться от ветра, зайдя, например, за угол дома. Одинаковы ли показания термометра на ветру и за углом дома?
Решение. Температура воздуха на ветру и за углом дома практически одинакова, поэтому показания сухого термометра будут одинаковыми (он измеряет температуру воздуха, а ветер её не меняет). Но человеку на ветру холоднее: ветер ускоряет испарение влаги с кожи и одежды, что охлаждает тело, а также уносит нагретый телом слой воздуха около кожи. За углом дома ветра нет, испарение идёт медленнее, и мы чувствуем себя теплее. (Если бы термометр был влажным, на ветру он показывал бы более низкую температуру, так как с него испаряется быстрее.)
Ответ: показания обычного термометра одинаковы; разница в ощущениях связана с более быстрым испарением влаги с кожи на ветру.
Ответ: показания обычного термометра одинаковы; разница в ощущениях связана с более быстрым испарением влаги с кожи на ветру.
Упражнение 16. Задача 4. В производстве для обеспечения чистой водой различных технологических процессов используют дистилляторы. Процесс получения дистиллированной воды основан на парообразовании и конденсации водяных паров. На рисунке 36 показан разрез простейшего дистиллятора, где 1 — нагреватель; 2 — жёлоб; 3 — кран; 4 — холодильник; 5 — дистиллируемая вода; 6 — отводная трубка. В дистиллятор через кран 3 наливают воду, предназначенную для перегонки, и нагревают её. Образующиеся водяные пары соприкасаются с конусообразным дном холодильника, в который налита холодная вода. Пар конденсируется, и дистиллированная вода стекает в жёлоб, откуда её спускают при помощи отводной трубки 6. Какие агрегатные превращения вещества происходят в дистилляторе? [на рисунке: сосуд с водой 5 на нагревателе 1, сверху конусообразный холодильник 4, жёлоб 2, кран 3, отводная трубка 6 с бутылью]
Решение. Рассмотрим путь воды в дистилляторе.
1. Нагреватель 1 нагревает воду 5, она испаряется (частично и кипит): жидкость превращается в пар — парообразование (испарение и кипение). Примеси (соли и др.), не способные испаряться при этих температурах, остаются в сосуде.
2. Пар поднимается и соприкасается с холодным дном холодильника 4: пар охлаждается, отдаёт энергию холодной воде и превращается в жидкость — конденсация.
3. Капли дистиллированной воды стекают по конусу в жёлоб 2 и по отводной трубке 6 в приёмный сосуд.
Ответ: в дистилляторе происходят два агрегатных превращения: парообразование (жидкая вода → водяной пар) в нагреваемом сосуде и конденсация (водяной пар → жидкая вода) на холодной поверхности холодильника.
Ответ: в дистилляторе происходят два агрегатных превращения: парообразование (жидкая вода → водяной пар) в нагреваемом сосуде и конденсация (водяной пар → жидкая вода) на холодной поверхности холодильника.